מדענים פיתחו טכניקה חדשה המשתמשת בפולסי טרה-הרץ מהירים במיוחד כדי לשלוט בתנועה אטומית במוליכים למחצה דו-מימדיים, מה שמבטיח התקדמות במחשוב מהיר ופיתוח מכשירים אלקטרוניים.
מחקר חדש מיישם קרינת תדר טרה-הרץ אולטרה-מהירה על דיכאלקוגנידים מתכת מעבר, ויוצר פונונים קוהרנטיים.
מוליכים למחצה הם אבן יסוד בטכנולוגיה של הדור הבא, ולכן שיטה חדשה לעורר אטומים בחומרים מוליכים למחצה עשויה לרגש גם מגוון רחב של חוקרים ותעשיות.
על ידי מינוף פולסי טרה-הרץ אינטנסיביים ורחב פס מהיר במיוחד, מדענים מהאוניברסיטה הלאומית של יוקוהמה ועמיתיהם במכון הטכנולוגי של קליפורניה הדגימו עירור אטומי בחומר מוליכים למחצה דו-ממדיים, ומקדמים את הפיתוח של מכשירים אלקטרוניים.
המאמר שלהם פורסם ב-19 במרץ ומופיע כבחירת העורך בכתב העת מכתבי פיזיקה שימושית.
חומרים דו-ממדיים (2D), או ננו-חומרים דמויי גיליון, הם פלטפורמות מבטיחות ליישומי מוליכים למחצה עתידיים בשל התכונות האלקטרוניות הייחודיות שלהם. דיכאלקוגנידים מתכת מעבר (TMDs), קבוצה בולטת של חומרים דו-ממדיים, מורכבת משכבות של אטומי מתכת מעבר הדחוסים בין שכבות של אטומי כלקוגן. מסודרים במבנה סריג, אטומים אלה יכולים לרטוט או להתנודד סביב עמדות שיווי המשקל שלהם – עירור קולקטיבי זה ידוע כפונון קוהרנטי וממלא תפקיד מכריע בקביעה ובקרה של תכונות החומר.
חידושים בטכניקות אינדוקציה של פונון
באופן מסורתי, פונונים קוהרנטיים מושרים על ידי לייזרים פולסים קצרים במיוחד באזורים הנראים והקרוב לאינפרא אדום. שיטות המשתמשות במקורות אור אחרים נותרו מוגבלות.
"המחקר שלנו עוסק בשאלה הבסיסית של האופן שבו מושרים פונונים קוהרנטיים על ידי לייזרים בתדר טרה-הרץ אולטרה-מהירים – או פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה – בחומרי TMD", אמר סאטושי קוסבה, עוזר פרופסור בבית הספר לתואר שני למדעי ההנדסה של האוניברסיטה הלאומית של יוקוהמה והראשון. מחבר המחקר.
סכמטיקה של זיהוי סיבובי סיבוב וסיבוב קוטביות בפס רחב במיוחד של פונון ב-WSe2. התוצאה שהושגה (ימין למטה) כוללת את אות תנודת הפונונים הקוהרנטית הנרגשת באמצעות תהליך תדר סכום (מימין למעלה). קרדיט: סאטושי קוסבה / האוניברסיטה הלאומית של יוקוהמה
קרינת טרה-הרץ מתייחסת לגלים אלקטרומגנטיים עם תדרים בטווח הטרה-הרץ, בין תדרי מיקרוגל לתדרים אינפרא אדום. צוות המחקר הכין פעימות טרה-הרץ בפס רחב במיוחד כדי לגרום לדינמיקה של פונון קוהרנטית בסרטים דקים של TMD בשם WSe2. ערכה מדויקת ורגישה נקבעה לזיהוי אניזוטרופיה אופטית, במילים אחרות, איך האור מתנהג כשהוא עובר דרך החומר. החוקרים חקרו את השינויים בכיוון השדה החשמלי של פולסי לייזר קצרים בזמן שהם מקיימים אינטראקציה עם החומר; שינויים אלו ידועים כסיבוב קיטוב.
על ידי התבוננות קפדנית באניזוטרופיה האופטית הקטנה המושרה, הצוות הצליח לזהות את אותות הפונונים המושרים על ידי פעימות הטרה-הרץ.
"הממצא החשוב ביותר מהמחקר שלנו הוא שעירור טרה-הרץ יכול לגרום לפונונים קוהרנטיים ב-TMD באמצעות תהליך עירור מובהק של תדר סכום", אמר האו-וויי לין, מועמד לדוקטורט במכון הטכנולוגי של קליפורניה בזמן המחקר והשיתוף. המחבר הראשון של מחקר זה. "מנגנון זה, השונה מהותית מתהליכי ספיגה תהודה וליניארית, כרוך באנרגיה משולבת של שני פוטונים של טרה-הרץ התואמים את זו של מצב פונון."
מכיוון שהסימטריה של מצבי הפונונים שניתן לעורר באמצעות תהליך תדר סכום זה שונה לחלוטין מזו של התהליך הליניארי התהודה האופייני יותר, תהליך העירור המשמש בהצלחה במחקר זה חשוב לשליטה מלאה בתנועות אטומיות בחומרים. ההשלכות של ממצאי המחקר חורגות מעבר למחקר יסודי, ומבטיחות מגוון יישומים בעולם האמיתי.
"עם תהליך עירור תדר הסכום, אנו יכולים לשלוט באופן קוהרנטי על עמדות אטומיות דו-ממדיות באמצעות עירור טרה-הרץ", אמר קוסאבה. "זה יכול לפתוח את הדלת לשליטה במצבים האלקטרוניים של TMDs, המבטיחה לפיתוח של valleytronics והתקנים אלקטרוניים המשתמשים ב-TMDs לצריכת חשמל נמוכה, מחשוב במהירות גבוהה ומקורות אור מיוחדים."
המחקר מומן על ידי משרד החינוך של טייוואן, הקרן הלאומית למדע, נאס"אוהחברה היפנית לקידום המדע.
תורמים נוספים כוללים ריו טמאקי, Ikufumi Katayama ו-Jun Takada מהאוניברסיטה הלאומית של יוקוהמה; ג'פרי א' בלייק מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה.
